中材科技苏成功:拉挤技术在风电叶片中的应用

能见App 2021年10月19日 3031

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在19日上午召开的风电机组技术创新论坛上,中材科技风电叶片股份有限公司工程师苏成功发表了《拉挤技术在风电叶片中的应用》的主题发言。

以下为发言全文:

苏成功:各位同行、各位专家大家上午好,很高兴在这里和大家分享一下拉挤技术在风电行业里面的应用。拉挤就是在行业里已经应用了很多年,但在国内刚热门起来,据我所知,目前是各个主机厂家、叶片厂家都投入精力来运用拉挤这个产业化应用。 

从三个方面来讲,第一,拉挤在叶片上的应用背景。第二,拉挤技术在叶片上应用的案例。第三,在拉挤应用当中一些问题。

去年我们国家在联合国大会上宣布,要2030年达到碳达峰,2060年达到一个碳中和的目标,宣布之后,风电行业已经快速的发展了十几年,我觉得可能以后50年甚至更长,风电行业是一直会更好的继续发展下去,然后至少是最近20年风电行业还有持续高速发展情况。但现在风电行业高速发展也遇到了一些问题,就是在风电发展的时候叶片越做越大,重量是越做越重,怎么去解决这个叶片的长度跟叶片重量的矛盾,这也是整个行业里面待解决的核心问题。当时是做40米的叶片,现在开始做80多米、90多米,甚至现在研发100多米的叶片,叶片长度是越来越大,叶片的基础也是,就是根据(2103)海上研究就是有8兆瓦10兆瓦,可能再过几年,基础功率会越做越大,突破20兆瓦也有可能。叶片越做越大,功率越做越大的情况下,叶片轻量化的需求,就成为了非常关键的方面。

下面这张图可以看一下,这是我公司叶片的长度和重量的关系曲线,第一条曲线是在小型化的时用普通玻纤做的叶片重量和长度的曲线。第二个曲线是高度玻纤做的重量和长度的曲线,这个重量和长度是呈一个指数和关系。第三个曲线是我们超高的玻纤。第四个是我们公司做的拉挤叶片的曲线,可以看到随着叶片的长度越大,它的重量肯定是越大的,但是这个叶片里面选用的材料对这个叶片的曲线是起到了非常关键的影响,材料性能越高,材料本身的密度对叶片的重量是非常关键的。 

叶片到底需要什么材料呢?这里我总结了一下,一是,对于模量的需求,玻纤发展它最开始的模量是90个Gpa左右,发展到现在大概是在100Gpa,做成我们灌注的玻璃钢筋大概是超高玻纤,52最多到55Gpa左右,玻纤的拉挤可以突破到60Gpa以上,60Gpa到66Gpa之间,碳纤维也是一样,我们碳纤维的灌注第一点是(2348)150个Gpa,另外叶片的成本方面,需要比较好的性价比。拉挤现在我们公司研究,应用还少,等到批量化,大规模的应用之后,相信拉挤的材料成本会快速下降,特别是碳纤维拉挤,碳纤维拉挤现在都是小数,将来大数据投产拉挤之后,会降到100以下这个价格。

下面分享一下拉挤在我们运用的一个案例,首先分析一下拉挤的灌注和拉挤三个工艺方案的一个对比。灌注它的经验比较成熟,也是目前科技灌注还有一些部位型号最常用的手段,然后预浸料它的成本还有储存的缺点,调整碳这个占比,然后调整材料的性能,玻纤拉挤在我们公司运用,基本上通过我们的分析,能够降低整个叶片10%左右的重量,然后组量本身重量降低大概是在10%,有些型号到12%左右,组量对比的话,好几个型号都在应用拉挤的技术,玻纤叶片就是我们从2018年底开始介入,通过实验室灌注的,还有就是拉挤版的小部件、中部件还有就是半个研究,我们积累了比较丰富的制造经验,一个完善的验证是降低我们拉挤生产曲线非常关键的技术。我们在设计上面,做了测试的研究,从材料方面的测试、界面的测试,材料研速进行全面的验证,达到技术方面的一个创新。碳纤方面拉挤在我们公司也做了设计的研究和叶片的验证,据我们研究用碳纤维拉挤对于组量的减用是非常可观的,因为叶片上其他地方做了振动措施,整个叶片减到8%左右,碳纤维拉挤它主要应用的一个特点就是,可以应用到拉挤能够降低碳纤维材料本身的缺陷水平,我们认为碳纤维这个拉挤技术是碳纤维应用的最佳的方案。碳纤维整个拉挤,拉挤板在行业里面应用的趋势,我们分析了国内的多家应用公司,目前据我所知,几大主基厂商还有就是我们叶片厂商对于碳纤维拉挤都有应用了,玻纤拉挤是我们公司应用是最多的,碳纤维拉挤就是将来在行业里面可以看到这个报告,可能在未来十年之内碳纤维拉挤在主量上的应用是普遍化的发展趋势。

第三,讲一下拉挤技术在叶片上应用的一个问题。我们自己做这个研究时也发现了,拉挤板它的本质上是预制的材料,埋在叶片之中,因为它提前预制好了,有一些界面是失效分析的观点,这个界面总结几个方面,一个是拉挤板之间承接的失效,第二个拼接缝的失效,还有就是拉挤板厚度倒角是有一个倾斜的斜面,倾斜的斜面也是有一个失效。这几个失效特别是带有缺陷比方说会有不可避免的缺陷,可能是灌注到发白或者是有一些局部包的气孔,还有一些其他的缺陷。像拼接缝一般来说没有打磨是光面的,这是我们分析的时候是个难点,我们也跟清华大学的老师教授也一块研究过这些问题,这是将来可能还要超过更大的精力来去分析,另外拉挤板本身好处就是可以定制化的纤维含量,纤维含量越高,它越高,但是纤维含量高了之后疲劳怎么解决,一般就是纤维含量特别高,疲劳才会下降,所以我们根据疲劳怎么平衡这是需要我们里面做一些研究的。    

碳玻混(3342)目前我觉得是行业里面应用的一个热点,碳纤维本身压缩强度比拉伸强度普遍偏低,我们自己测试的碳纤维的数据,特别是压缩数据稳定性比较差,这也是碳纤维的缺点,碳纤维和玻纤本身材质也不同,在热膨胀系数它的一些碳纤维是比较细的,要比玻纤细好多,它的界面性能要更差一点,这里面在碳玻混合的时候机理上的研究要做更多的分析。另外我们碳纤维跟玻纤它的混合形式到底是依存性的混还是不同的混也是非常关键的。另外就是我们拉挤板在生产过程中质量控制问题,失效以后有一些褶皱,还有一些残余,表面起泡等等,另外再生产过程中,可能还有叶片问题灌注不良的缺陷,怎么去更好控制缺陷,是我们研究的关键。第四个拉挤在我们的正常生产过程中,它的缺陷的检测和维修的问题,特别是特纤维拉挤板,它的可见性比较差,目前检测的方法以及检测缺陷的数量,可能不同的检测工具检测出来的数量不一样,所以说这一方面是非常关键的。另外就是维修,板材用什么方式维修能达到最好的维修效果,以及维修之后怎么去验证它的强度。这方面除了理论研究之外,还要做一些测试,包括整个叶片的测试。

最后一个是碳纤维拉挤板以及碳玻混拉挤板运用防雷设计的难题,碳纤维是导电的,在碳玻混应用的时候,玻纤的介入以及里面电流的分布,会对里面电流产生影响,这样的话它的防雷击的时候,怎么去用保护方案,我们公司也做了多个方案的一个尝试。目前是雷击审查,还有雷击审查修护,这是非常关键的问题。我的演讲就这些,谢谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)